《高頻電子技術》-高頻電子技術第2章

2.1概述在通信、電子技術領域的各種電子設備中，正弦波振蕩器得到廣泛的應用。例如無線電發送設備中需要高頻載波信號，無線電接收設備中需要本振信號，各種電子系統中的定時時鐘信號，電子測量儀器中的正弦波信號源等，它們都是由正弦波振蕩器產生的。前面討論的各種電子線路都有一個共同的特點，即給電路一定的激勵，然后才會有響應，或者說有輸入信號，才有輸出信號，比如放大電路。振蕩器和放大器一樣，也是一種能量變換器，所不同的是，振蕩器不需要外加激勵信號，本身就能白動地將直流電能轉換為特定頻率、波形和幅度的交變信號輸出，常稱為白激振蕩器。振蕩器的種類很多，根據產生振蕩波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。前者輸出正弦波信號，后者輸出矩形波、三角波和鋸齒波等非正弦波信號。返回2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理正弦波振蕩器按工作原理不同，可分為反饋型振蕩器和負阻振蕩器。前者是在放大電路中引入正反饋，當正反饋足夠強時，放大器就變成振蕩器;后者是將一個具有負阻特性的有源器件與諧振回路直接相連，構成振蕩電路。為了得到一定頻率的正弦波信號，在反饋型振蕩電路中必須具有選頻網絡。根據選頻網絡不同，正弦波振蕩器又可分為LC振蕩器、RC振蕩器、石英晶體振蕩器等類型。隨著集成技術的發展，又出現了集成振蕩器。本章主要討論通信系統中最常用的高頻反饋型正弦波振蕩器，它主要包括LC振蕩器和石英晶體振蕩器。2.2.1從反饋放大器到反饋振蕩器的演變利用正反饋原理構成的正弦波振蕩器的原理框圖可用圖2-1來說明。下一頁返回在圖2-1中，如果不接反饋網絡，在放大電路A輸入端加入輸入信號時，即開關S置1時，放大電路就有輸出信號，沒有輸入信號就沒有輸出信號。若接反饋網絡，則讓輸出信號，通過反饋網絡F產生反饋信號，如果的大小與相位與一致，那么可以斷開外加輸入信號，接上反饋信號，即開關由1置換到2，放大器將繼續維持工作。由于此時己經沒有外加信號，所以放大器就變成了振蕩器。此后，電路無需再外加激勵信號，也有信號輸出。上一頁下一頁返回2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理由圖2-1可知產生自激振蕩的條件如下。即因此振蕩條件為上一頁下一頁返回(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理實際上，反饋放大器的閉環增益為式(2-5)中表示放大電路的開環增益，當時，趨于無窮大，放大器變成振蕩器。上一頁下一頁返回(2-5)2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理2.2.2反饋型振蕩器的平衡條件由前面對振蕩器振蕩原理的分析可知，為了保證振蕩器正'常振蕩目輸出等幅振蕩波，必須使反饋網絡提供正反饋，即使。保證振蕩器能正常振蕩且輸出等幅振蕩波形的條件稱為平衡條件。保證振蕩器振蕩的平衡條件為該平衡條件可分為兩部分，即振幅平衡條件:相位平衡條件:上一頁下一頁返回(2-6)(2-7)(2-8)2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理2.2.3振蕩的建立和起振條件以上討論的是振蕩電路保持平衡的條件。但是，不需要外加激勵信號，而是把反饋信號電壓作為輸入電壓，那么最初的輸入信號是怎么來的呢?或者說振蕩器是怎么起振的呢?這個問題可以解釋為:振蕩器在接通直流電源的瞬間，在電路的各部分中，將引起電擾動。這些電擾動是接通電源瞬間引起的電流突變或是管了和回路的固有噪聲，由于振蕩電路是一個閉環正反饋系統，不管電擾動最初發生在電路的哪個部分，最終都要傳到放大器輸入端成為最初的輸入信號電壓。上一頁下一頁返回2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理這些電擾動有極寬的頻率范圍，由于選頻網絡的選頻作用，只有接近于選頻網絡的諧振頻率的分量信號得到放大，其余頻率分量才會被振蕩器抑制掉。放大后的頻率分量信號，通過反饋又回到放大器的輸入端，成為第一次輸入信號，完成一次循環。經過一次循環后的輸入信號與最初的輸入信號相比，不僅相位相同，而目幅度增大。如此反復，一直繼續下去。經過上述放大一反饋一再放大一再反饋的循環過程，角頻率為選頻網絡諧振頻率的輸出信號迅速增大，自激振蕩就建立起來了。2.起振條件振蕩起始時，電擾動激起的振蕩是微弱的，為了使振蕩電壓的幅度不斷增大，必須使對選頻網絡LC諧振回路的能量補充大于回路本身的能量損失，即使反饋放大器輸入端的信號電壓大于原來輸入端的信號電壓。上一頁下一頁返回2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理由圖2-1可知，為使輸出電壓不斷增大，必須使因此振蕩器的起振條件為該起振條件可分為兩部分，即振幅起振條件:上一頁下一頁返回(2-9)(2-10)(2-11)(2-12)綜上所述，反饋振蕩器既要滿足起振條件又要滿足平衡條件，其中相位起振條件與相位平衡條件是一致的，相位條件是構成振蕩電路的關鍵，即振蕩閉合環路必須是正反饋。同時，振蕩電路的放大環節應具有非線性放大特性，即具有放大倍數隨振蕩幅度的增大而減小的特性，這樣，在起振時，放大倍數A比較大，滿足振幅起振條件，振蕩幅度迅速增大，隨著振蕩幅度的增大，放大倍數A隨之減小，直至，振蕩幅度不再增大，振蕩器進入平衡狀態。2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理上一頁下一頁返回例2.1試分析圖2-2所示振蕩電路的工作原理。解:由圖2-2可知，該振蕩器由品體竹、LC諧振回路構成選頻放大器，變壓器Tr構成反饋網絡。在LC回路的諧振頻率上，根據共射放大電路的特點可知，輸出電壓Vo與輸入電壓Vi反相。又根據反饋線圈Lf的同名端可知，反饋電壓Vf與輸出電壓V0反相，所以Vf與Vi同相，振蕩閉合環路構成正反饋，滿足振蕩的相位條件，如果電路滿足環路放大倍數大于1，就能產生正選波振蕩。上一頁下一頁返回2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理因為只有在LC回路諧振頻率上，電路才能滿足振蕩的相位條件，所以振蕩器的振蕩頻率取決于選頻網絡LC諧振回路的諧振頻率，則振蕩頻率fo近似等于圖2-2中，電阻R1,R2,R:等構成諧振放大器的直流偏置電路，使放大器在小信號時工作在線性放大區，保證振蕩的起始階段，諧振放大器有較大的諧振放大倍數。而反饋網絡的傳輸系數決定于變壓器Tr的匝比，由圖2-2可知上一頁下一頁返回(2-13)(2-14)2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理通常在實用振蕩電路中，Tr采用降壓變壓器，所以反饋系數F>1，只要變壓器匝數比選擇合適，該振蕩器的環路放大倍數在起振階段完全可以做到大于1而滿足振幅起振條件。通過前面分析，已經知道，隨著振蕩過程的逐步建立，振蕩會越來越強，它們會不會無體止地增強下去呢?不會的，因為晶體管的非線性特性具有自限幅作用:當輸入信號較小時，晶體管工作在甲類，即線性放大區，隨著振蕩幅度的增大，晶體管進入飽和或截止狀態，限制幅度的進一步增大，振蕩幅度將趨于一個穩定值，最終達到平衡狀態，即AF從大于1趨向等于1，振幅就停止增長。由此可見，振蕩的建立過程是由增幅振蕩自動地轉變為等幅振蕩的過程，如圖2-3所示。上一頁下一頁返回2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理3.振蕩器的穩定條件為了使振蕩器穩定地工作，只滿足平衡條件是不夠的，因為平衡狀態只能說明振蕩能平衡到某一狀態，而不能說明振蕩的平衡狀態穩定。所以平衡條件是建立振蕩的必要條件，但不是充分條件。已經建立的振蕩是否能一直維持下去，還必須看平衡狀態是不是穩定的。所謂振蕩器的穩定平衡，就是在某種因素的作用下，使振蕩器的平衡條件遭到破壞時，它能在原平衡點附近重新建立新的平衡狀態，一旦外因消除，它能自動地恢復到原來的平衡狀態。不能恢復到原來平衡狀態的平衡為不穩定平衡。振蕩器的穩定條件可分為振幅穩定條件和相位穩定條件。1)振幅穩定條件由振蕩器的振幅平衡條件可知上一頁下一頁返回(2-15)2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理式(2-15)中A表示平衡點的電壓增益;F為反饋系數。在平衡條件的討論中得知，電壓增益A是振幅U;的非線性函數，當Vi減小時，A增大，隨著Vi的增大，晶體管的工作狀態進入截止區式飽和區，A增幅迅速下降;而反饋系數F則僅取決于外電路的參數，與振幅無關。為了說明振蕩穩定條件，畫出電壓增益A和反饋系數1/F隨振幅Vi變化的曲線，如圖2-4所示。由圖2-4可看出，A曲線與1/F曲線有兩個交點:Q和Q'。在這兩個交點處AF=1,滿足振幅平衡條件，即Q和Q'都是平衡點。但是這兩個平衡點是不是都是穩定平衡點呢?上一頁下一頁返回2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理先觀察Q'點，若由于某種原因引起Vi增大，則A增大，則AF>1，振蕩越來越強;若某種原因引起Vi減小，則A減小，AF<1，振蕩越來越弱，甚至停振。可見Q’為不穩定平衡點。再觀察Q點，若由于某種原因引起Vi增大，則A減小，則AF<1，振蕩衰減;若某種原因引起Vi減小，則A增大，AF>1，振幅增強，又回到Q點，可見Q為穩定平衡點。比較圖2-4中的Q和Q'兩個平衡點所處的位置，可以觀察到，在平衡點Q和Q'的附近，振蕩特性具有的斜率是不同的。在點Q'振蕩特性曲線的斜率為正;而在點Q'振蕩特性曲線的斜率為負。上一頁下一頁返回可見，振幅穩定條件為:振蕩特性A∞Vi曲線的斜率為負。即振幅穩定條件為2)相位穩定條件相位穩定條件是指當處于平衡狀態的系統受到某一外界因素的干擾，相位平衡狀態受到破壞，總相角φ=φa+φf大于或小于2nπ時，環路能夠重新建立相位平衡點的條件。2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理上一頁下一頁返回(2-16)2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理振幅穩定條件可以保證振蕩器輸出穩定的等幅振蕩信號，相位穩定條件則可以保證振蕩器輸出頻率穩定的振蕩信號。因為相位和頻率是相關的，即ω=dφ/dt,所以當相位穩定，頻率必然也穩定;反之，相位變化，頻率也隨之變化。故相位穩定條件也就是頻率穩定的條件。圖2-5為振蕩器的相頻特性曲線，設原來的振蕩頻率為無f01，由于外界干擾引起相位變化Δφn時，頻率提高到f02，此頻率的變化量通過相頻特性引起的相位變化量為-Δφ，它與符號相反，可以相互補償?？梢娪捎谕饨缡當_引起的總相位變化量為Δφn+（-Δφn)，當Δφn+（-Δφn)=0時，達到新的平衡條件。因此當振蕩器的相頻特性曲線如圖2-5所示時，受到擾動后振蕩將在原來的平衡點附近重新達到平衡;當擾動去除后，又回到原來的平衡點。所以這種相位平衡是穩定的平衡。上一頁下一頁返回顯然，相位穩定條件是:在平衡點，φ∞f曲線的斜率為負，即2.2反饋型正弦波振蕩器的基本原理上一頁返回(2-17)2.3LC正弦波振蕩器例2.1中種給出變壓器禍合振蕩器電路，并以它為例，對振蕩器的原理進行了分析。實際上反饋型LC振蕩器按照反饋禍合元件不同可分為變壓器禍合振蕩器、電感反饋式振蕩器(即電感二端式振蕩器)與電容反饋式振蕩器(即電容二端式振蕩器)等。下面分別介紹不同形式的LC振蕩器。2.3.1三端式LC振蕩器1.三端式振蕩器電路的一般組成原則二端式振蕩器的基本電路結構如圖2-6(a)所示，圖中放大器采用晶體三極管,3個電抗原件組成LC諧振回路，回路有3個引出端點分別與晶體管的3個電極相連接，使諧振回路既是品體竹集電極的負載，又是正反饋選頻網絡，所以把這種電路稱為三端式振蕩器(也稱三點式振蕩器)。下一頁返回Vi為放大器的輸入電壓，Vo為放大器的輸出電壓，Vf為反饋電壓。顯然，要產生振蕩，電路首先應該滿足相位條件，即電路應該構成正反饋。為了便于說明，略去電抗原件的損耗及竹子輸入和輸出阻抗的影響。當X1,X2,X3組成的回路諧振，即X1+X2+X3=0時，回路等效阻抗為純電阻，電路的與反相，為滿足振蕩的相位條件，則要求與反相，即能滿足與同相。

2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回而由于則有2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回(2-18)(2-19)(2-20)2.3LC正弦波振蕩器由式(2-20)可知，X1,X2必須為同性質的電抗原件，即同為電感或同為電容元件。而X3必須與X1（X2)為異性質電抗原件。三端式振蕩器電路的一般組成原則為:與晶體管發射極相連的兩個電抗原件X1,X2必須為同性質，不與發射極相連的另一個電抗原件X3必須與X1（X2)為異性質。根據三端式振蕩器電路的一般組成原則，構成三端式振蕩器的基本形式有兩種，它們分別為電感三端式和電容三端式，如圖2一6(b)、（C）所示。在實際應用中，為了進一步改善振蕩器的性能，振蕩回路可能不是只有3個電抗原件構成，即有的支路由兩個或兩個以上的電抗元件構成，但只要這些支路的總電抗滿足三端式電路的一般組成原則，振蕩器就能正常振蕩，反之，則不能振蕩。上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器例2.2根據二端式振蕩電路的一般組成原則，判斷圖2-7的三端式電路中哪些能振蕩，哪些不能振蕩?解:由圖2-7（a)可知，與品體管發射極相連的兩個電抗原件一個為電感，一個為電容，不符合三端式振蕩電路的組成法則，故圖2-7（a）的電路不能振蕩。由圖2-7（b)可知，與品體管發射極相連的兩個電抗原件均為電感元件，即為同性質的電抗原件，而不與發射極相連的元件為電容該電路滿足三端式振蕩電路的一般組成法則，故該電路即為異性質的電抗原件，能振蕩。由圖2-7（c)可知，只要與品體管發射極相連的LC、支路呈現容性，則此電路就符合三段式振蕩電路的一般組成原則，能夠振蕩。上一頁下一頁返回2.電感三端式振蕩器圖2-8

（a)為電感二端式振蕩器的實際電路，圖2-8（b）為其交流等效電路。從圖2-8中可見，品體管的3個電極與LC回路的3個端點相連，目滿足三端式振蕩器電路的一般組成原則，反饋電壓從電感上取得，故稱為電感三端式振蕩器，又稱哈托萊振蕩(HartleyOscillator)。該振蕩器電路的反饋系數為2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回(2-21)式中，M為電感L1,L2之間的互感系數。振蕩器的接入系數為振蕩器的振蕩頻率為式(2-23)中L=L1+L2+2M為LC諧振回路的總電感。2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回(2-22)(2-23)2.3LC正弦波振蕩器電感二端式振蕩器有以下特點。（1)由于L1和L2之間有互感存在，因而容易起振，A輸出電壓幅度大。（2)由于改變電容C調節振蕩頻率時，振蕩器的反饋系數和接入系數均不改變，因而頻率調節較方便。比如在信號發生器中，正常用此電路做頻率可調的振蕩器。（3)由于反饋電壓取自于電感元件，而電感對高次諧波呈高阻，振蕩波形含高次諧波成分較多，因此輸出波形不太理想，A.振蕩頻率越高，波形越差。

上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器3.電容三端式振蕩器圖2-9（a),（b)分別為電容三端式振蕩器的實用電路及其交流等效電路。圖中R1,R2和R3為放大電路的分壓式直流偏置電阻，Ce為旁路電容，Cb為隔直電容，Le為高頻扼流線圈。為防止交流信號進入直流電源，又將直流電壓禍合到品體管的集電極。L、Cl、C2構成諧振回路，根據其交流等效電路可知該電路滿足二端式振蕩器電路的一般組成原則，且反饋電壓從電容元件C2上取出，故稱為電容二端式振蕩器，又稱考畢茲振蕩器(ColpittsOscillator)。上一頁下一頁返回該振蕩電路的反饋系數為振蕩器的品體管與諧振回路之間采用部分接入系數，其接入系數為2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回(2-24)(2-25)改變振蕩器的接入系數，就可以改變品體管與諧振回路的禍合程度，從而改變放大器的增益及輸出電壓幅度。振蕩器的振蕩頻率為式(2-26)中為LC諧振回路的總電容。2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回考慮晶體管的輸入電容Ci和輸出電容Co，如圖2-9(b)中虛線所示，由于，則振蕩器的振蕩頻率為電容三端式振蕩器有以下特點。（1）振蕩波形較好。因為這種振蕩器的反饋電壓取自于電容元件，而電容對高次諧波呈現低阻，使反饋電壓中的諧波成分少，也使得輸出電壓中的諧波成分少，即輸出電壓失真小，波形較好。2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回(2-27)2.3LC正弦波振蕩器（2）頻率穩定性較好。如果考慮晶體管的輸入、輸出電容Ci和CO的影響，則引起振蕩頻率變化主要是因為晶體管的Ci和CO易受到各種影響而改變。若適當地提高C1和C2的值，則Ci和CO的變化對頻率的影響會大為減小，從而提高頻率穩定性。（3)調節頻率不方便。因為若用改變電容元件來調節振蕩頻率，在調節頻率的同時，會引起反饋系數F和接入系數P∞的改變，從而引起振蕩器的工作狀態和輸出電壓幅度的改變，因此這種振蕩器常用作固定頻率振蕩器。上一頁下一頁返回例2.3在圖2-10所示振蕩器的交流等效電路中3個LC并聯諧振回路的諧振頻率分別為:。試問滿足什么條件時該振蕩器能正常工作，相應的振蕩頻率是多少?解:由圖2-10可知，只要滿足三端式振蕩器電路的一般組成原則，該振蕩器就能正常工作。若組成電容三端式振蕩器，則在振蕩頻率處，fs1處,

L1,C1回路與場幾回路的阻抗應呈現容性，L2,L3回路的阻抗應呈現感性。因此應滿足

2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回若組成電感三端式振蕩器，則在振蕩頻率fs2處，L1

C1回路與L2C2回路的阻抗應呈現感性，L3C3回路的阻抗應呈現容性。因此應滿足在以上兩種情況下，振蕩頻率的表達式均可估算為式中,2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器4.改進型電容三端式振蕩器電容二端式振蕩器是一種性能優良的振蕩電路，但它有兩個主要缺點:①它不能用作頻率可調的振蕩器;②不穩定電容Ci和Co影響振蕩器頻率穩定性。為了克服這兩個缺點，提出了改進型電容二端式振蕩器。1)克拉波振蕩器(ClappOscillator)圖2-11（a)為克拉波振蕩器電路，圖2-11Cb)是其交流等效電路。由圖2-11可知，改進的方法很簡單，就是在諧振回路的電感支路上串聯一個小電容C3，要求C3《C1，C3《C2。上一頁下一頁返回克拉波振蕩器的諧振回路的總電容為當。因此克拉波振蕩器的振蕩頻率為2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回(2-28)(2-29)2.3LC正弦波振蕩器由式(2-29)可知，C1和C2對振蕩器頻率的影響大大減小，振蕩頻率主要由C3決定，而不穩定電容Co和Ci對振蕩頻率的影響就更小了，且C1和C2越大，Co和Ci的影響就越小，振蕩器的頻率穩定性就越好。綜上所述，克拉波振蕩器是一個頻率可調，目頻率穩定度高的振蕩器。但存在缺點:①Cl、C2如果過大，振蕩幅度就降得太低;②當減小C3來提高fo時，振蕩幅度顯著下降，當C3減小到一定程度時，可能使振蕩器停振;③振蕩器的振蕩頻率不能在很寬的范圍內調節，即頻率覆蓋范圍小。所以克拉波振蕩器只能做固定頻率振蕩器或頻率覆蓋系數較小的可變頻振蕩器。上一頁下一頁返回2)西勒振蕩器(SederOscillator)另外一種改進型電容三端式振蕩器電路如圖2-12

（a)所示，該振蕩電路稱為西勒振蕩器。圖2-12（b)為其交流等效電路。它是在克拉波振蕩器的基礎之上，在諧振回路電感元件上并聯一個小電容C4，通常C3和C4均遠遠小于C1和C2,可以通過C4來調節振蕩頻率fo。該振蕩電路的總電容為

2.3LC正弦波振蕩器上一頁下一頁返回(2-30)2.3LC正弦波振蕩器當因此，西勒振蕩器的振蕩頻率為該振蕩電路的反饋系數為上一頁下一頁返回(2-31)(2-32)2.3LC正弦波振蕩器當改變C4調節振蕩頻率fo時，反饋系數和接入系數均不受影響，因而在一定頻帶范圍內輸出信號的幅度平穩性大為改善。需要注意的是:C3不能選得過大，否則，振蕩頻率卞要由C3和L決定，導致C4的可調范圍小，限制了振蕩頻率的可調范圍;同時C3過大，該電路也失去了頻率穩定度高的優點。但C3值也不能太小，因為C3越小，振蕩幅度也隨之減小。西勒振蕩器的特點:頻率穩定度高，振蕩頻率較高;做可變頻率振蕩器時，其頻率覆蓋范圍寬，在頻段范圍內幅度比較平穩。因此西勒振蕩器在短波、超短波通信、電視接收機等高頻設備中得到非常廣泛的應用。上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器2.3.2變壓器藕合振蕩器圖2?13是一種常用的變壓器耦合振蕩器電路。此電路采用共發射極放大電路，LC諧振回路接在晶體管VT的集電極上。注意耦合電Cb的作用，如果將Cb短路，則基極通過變壓器次級線圈直流接地，振蕩電路不能振蕩。變壓器耦合振蕩器是依靠電感線圈之間的互感耦合來實現正反饋的，所以應注意耦合線圈同名端的正確位置。同時，耦合系數M要選擇合適，使之滿足振幅起振條件。關于該振蕩電路的具體分析可參考本章2.2.3節中的例2.1。變壓器耦合振蕩器的頻率穩定度不高，且由于互感耦合元件分布電容的存在，限制了振蕩頻率的提高，所以只適用于較低頻段。上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器例2.4判斷如圖2?14所示的變壓器耦合振蕩電路能否振蕩。解：由圖2-14（a）可知，R1、R2和R3組成分壓是偏置電路，晶體管VT與變壓器Tr等組成放大電路，Cb、Ce分別為晶體管基極和集電極旁路電容，圖2-14（b）為其交流等效電路。放大電路為共基放大電路，LC回路構成反饋選頻網絡。當輸入信號

從晶體管發射極輸入，由集電極輸出

，經變壓器Tr耦合，將放大器的輸出信號送到LC諧振回路，經選頻后，取變壓器次級線圈2、3兩端電壓為反饋電壓

，送到放大器的輸入端，從而構成閉合反饋回路。根據共基放大電路的特點，輸入電壓

與輸出電壓

同相，由圖中變壓器的同名端和變壓關系可知反饋電壓

與輸出電壓

也同相，因此輸入電壓

與反饋電壓

同相，閉合環路構成正反饋，滿足了振蕩器的相位條件。又由于放大電路為共基放大電路，如果變壓器中的反饋線圈的匝數取值合適，就可以滿足振蕩器的振幅條件。所以該振蕩器可以振蕩。上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器2.3.3集成振蕩器前面介紹的均為分立元件振蕩器。利用集成電路也可以做成正弦波振蕩器，其基本電路構成是集成電路外接LC諧振回路。1.差分對管振蕩電路在集成振蕩器電路中，廣泛采用如圖2?15（a）所示的差分對管LC振蕩電路。圖2?15（a）中，VT1和VT2為差分對管，其中VT2的集電極上外接LC諧振回路，該回路調諧在諧振頻率上，并將其上的輸出電壓直接加到VT1的基極上，形成正反饋。接到VT2的基極上的直流電壓VBB又通過LC諧振回路（對直流近似短路）加到VT1基極上，為兩管提供相同的基極偏置電壓；同時VBB又作為VT2的集電極電源電壓，這樣，就會使VT2的集電極和基極具有相同的直流電位。因此。在該電路中，必須限制LC諧振回路兩端的振蕩電壓振幅（一般限制200mV左右），以防止VT2飽和導通。上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器圖2?15（b）是其交流等效電路。圖中Ree為恒流源Io的交流等效電阻。該振蕩電路實際上是一個共集—共基反饋電路。共集放大電路和共基放大電路均為同相放大電路。利用瞬時極性判別法則，假設VT1的基極斷開，則有vb1↑→ve1（ve2）↑→vc2↑→vb1↑，所以構成正反饋。在諧振頻率上，并聯LC諧振回路阻抗最大，正反饋電壓最強，且滿足相位平衡條件。綜上所述，該振蕩電路能正常工作。上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器2.單片集成振蕩電路單片集成振蕩器E1648采用典型的差分對管振蕩電路，其內部電路如圖2?16（a）所示，圖2?16（b）為其外接電路。該電路由3部分組成：差分對管振蕩電路、放大電路和偏置電路。VT7、VT8、VT9與第10引腳、第12引腳之間外接LC諧振回路組成差分對管振蕩電路，其中VT9為可控恒流源。振蕩信號由VT7基極取出，經兩級放大電路和一級射極跟隨器后，從第1引腳或第3引腳輸出。第一級放大電路由VT5和VT4組成共射—共基組合放大電路，第二級放大電路由VT3和VT2組成單端輸入、單端輸出的差分放大器，VT1為射極跟隨器。偏置電路由VT10～VT14組成。VT12～VT14組成電流源，為差分對管振蕩電路提供偏置電壓。VT12與VT13組成互補穩定電路，以穩定VT8的基極電位。VT14的輸出電流在R16和R17上產生的壓降，經VT11與VT10射極跟隨后分別為兩級放大電路提供偏置電壓。上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率f由第10引腳和第12引腳之間外接諧振回路的L、C決定，也與兩引腳之間的輸入電容iC≈6pF有關。即（2?33）可見，改變L、C的值，可以改變E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率。它的最高振蕩頻率可達225MHz。3.集成運放振蕩器由集成運放代替晶體管可以組成集成運放振蕩器，圖2?17（a）是電感三端式集成運放振蕩器。其振蕩頻率為

（2?34）上一頁下一頁返回2.3LC正弦波振蕩器圖2?17（b）為電容三端式集成運放振蕩器。其振蕩頻率為

（2?35）集成運放三端式振蕩器的組成原則與晶體管三端式振蕩電路的組成原則相似，即同相輸入端之間與反相輸入端之間所接的電抗原件為同性質的，反相輸入端與輸出端之間所接的電抗原件與前面兩個電抗原件性質相反。集成運放振蕩器性能穩定，電路簡單，調整方便，但其工作頻率受運放上限頻率的限制。上一頁返回2.4石英晶體振蕩器通過對振蕩器的頻率穩定度的分析可見，振蕩器的頻率穩定度主要取決于振蕩回路的標準性和品質因數。LC振蕩器由于受到LC回路和品質因數的限制，只能達到10?4數量級。但是，在許多應用場合要求振蕩器能提供比10?4數量級高得多的頻率穩定度。例如，在廣播發射機、單邊帶發射機及頻率標準振蕩器中，分別要求振蕩器頻率穩定度高達10?5、10?6、10?8～10?9數量級。為了獲得高頻率穩定度的振蕩信號，需要采用石英晶體振蕩器。下一頁返回2.4石英晶體振蕩器2.4.1石英諧振器的特性1.石諧振器的特性1）石英晶體的物理特性石英晶體是一種各向異性的結晶體，其化學成分主要是二氧化硅（SiO2），具有穩定的物理、化學性能。從一塊晶體上按一定方位角切割成的薄片成為晶片，它的形狀可以是方形、矩形或圓形。在晶片的兩面涂上銀層作為電極，電極上焊出兩根引線固定在管腳上，并封裝在金屬殼中，便構成石英晶體諧振器，如圖2?18所示。下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器石英晶體之所以能做成諧振器，是利用了它特有的壓電效應。當交變電壓加于石英晶片時，石英晶片將會隨交變電壓的頻率變化產生周期性的機械振動，同時，機械振動又會在兩個電極上產生交變電荷，形成交變電流。當外加交變電壓的頻率與石英晶片的固有振動頻率相等時，晶片便產生共振，此時晶片的機械振動最強，晶片兩面的電荷數量和其間的交變電流也最大，產生類似于LC回路中的串聯諧振現象，把這種現象叫做石英晶體的壓電諧振。為此，晶片的固有機械振動頻率又稱為諧振頻率。頻率的高低取決于晶片的幾何尺寸和結構，具有很高的穩定性。下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器2）石英諧振器的等效電路及阻抗特性石英諧振器的諧振特性可以利用一個串并聯諧振回路來等效，其電路符號如圖2?19（a）所示，等效電路如圖2?19（b）所示。其中C0為以晶體作為電介的靜態電容，它的大小與晶片的幾何尺寸和電極的面積有關，其數值一般在幾皮法至幾十皮法。Lq、Cq、rq對應于晶片機械共振經壓電轉換而呈現的電參數。Lq相當于石英晶體機械振動的慣性（也稱動態電感），Cq相當于彈性（也稱動態電容），rq等效為晶片振動時的摩擦損耗。晶片的等效電感Lq很大，約幾十到幾百毫亨（mH），而動態電容Cq很小，約百分之幾皮法（pF），rq的數值從幾歐到幾百歐，所以石英晶體的品質因數Q很高，一般可達105數量級以上。若略去等效電阻rq的影響。可定性的做出圖2?20所示的等效電路的電抗特性曲線。當加在回路兩端的信號頻率很低時，兩個支路的容抗都很大，因此電路總的等效阻抗呈容性；下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器信號頻率增加，容抗減小，當Cq的容抗和Lq的感抗相等時，Cq、Lq支路產生串聯諧振，回路總電抗X=0，此時的頻率用sf表示，稱為石英諧振器的串聯諧振頻率；當頻率繼續升高時，Lq、Cq串聯支路呈感性，當感抗增加到剛好與C0的容抗相等時，回路產生并聯諧振，回路總電抗趨于無窮大，此時的頻率用fp

來表示，稱為石英諧振器的并聯諧振頻率；當f大于fp

時，C0支的容抗減小，對回路的分流起主要作用，回路總的電抗又呈容性。由石英晶體振蕩器的等效電路可以求出其串、并聯諧振頻率，分別為（2?36）（2?37）下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器由式（2?36）和式（2?37）可見，串聯諧振頻率小于并聯諧振頻率，且典型的石英晶片的C0很小，為0.002pF～0.02pF，即Cq/C0很小，fs

與fp

的頻率間隔很小。這就使得fs與fp

之間的電抗曲線非常陡峭。實際應用中，石英諧振器就工作在這一頻率范圍狹窄的電感性區內，頻率變化具有極靈敏的補償能力。石英諧振器的主要優點是具有較高的頻率穩定度；其主要缺點是它的單頻性，即每塊晶體只能提供一個穩定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。2.石英諧振器的穩頻原理石英諧振器作為振蕩器的回路元件，振蕩器具有較高的頻率穩定性，主要原因如下。（1）石英晶體的物理、化學性能十分穩定，外界因素對其性能影響很小。（2）石英諧振器的品質因數Q很高，可達105以上，遠大于一般LC回路的Q值，其穩頻作用很強。下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器（3）石英諧振器在fs

～fp

的相當窄的頻率范圍內，其陡峭的電抗特性使其對頻率變化的自動補償靈敏度極高，穩頻作用極強。（4）石英諧振器的接入系數極小，使振蕩器中振蕩回路與晶體管之間的耦合非常弱，因此外電路中不穩定因素對回路的影響大大減小，頻率穩定度很高。3.石英諧振器的使用注意事項使用石英晶體諧振器時應注意以下幾點。（1）石英晶體諧振器的標稱頻率都是在出廠前在石英晶體諧振器上并接一定負載電容條件下測定的。實際使用時也必須外加負載電容，并經微調后才能獲得標稱頻率。（2）石英晶體諧振器的激勵電平應在規定范圍內。（3）在并聯石英晶體振蕩器中，石英晶體只能工作在感性區，不能工作在容性區。（4）由于石英諧振器在一定溫度范圍內才具有很高的頻率穩定度，當對頻率穩定度要求很高時，可以考慮采用恒溫設備或溫度補償措施。下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器2.4.2石英晶體振蕩器根據晶體在振蕩電路中的不同作用，石英晶體振蕩器可分為并聯型石英晶體振蕩器和串聯型石英晶體振蕩器兩類。晶體工作在fs～fp之間的感性區，在振蕩回路中作為電感元件使用，整個振蕩回路處于并聯諧振狀態，這類振蕩器稱為并聯型晶體振蕩器。晶體工作在fs上，把晶體作為串聯短路原件，使其工作在串聯諧振頻率上，這類振蕩器稱為串聯型晶體振蕩器。1.并聯晶體振蕩器這類振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同，把晶體接在振蕩回路中作為電感元件使用，并與其他回路元件一起，按照三端式振蕩器電路的組成原則與晶體管相連。根據這種原理，有兩種基本電路類型，如圖2?21所示。下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器圖2?21（a）相當于電容三端式振蕩器，也稱皮爾斯振蕩器；圖2?21（b）相當于電感三端式振蕩器，也稱密勒振蕩器。圖2?22（a）為克拉波型皮爾斯振蕩器的實際電路，圖2?22（b）為其交流通路。電路中C3用來微調電路的振蕩頻率，使振蕩器振蕩在石英晶體的標稱頻率上，晶體振蕩器的振蕩頻率由石英諧振器和外接電容CL共同決定。如圖2?22（b）所示的等效電路可知，晶體的外接電容由C1、C2、C3共同組成，則（2?38）（2?39）則晶體振蕩器的振蕩頻率為（2?40）下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器2.串聯型晶體振蕩器串聯型晶體振蕩器是把晶體接在正反饋支路中，當晶體工作在串聯諧振頻率fs上時，其總電抗為零，等效為短路元件，這時反饋作用最強，滿足振幅的起振條件。圖2?23（a）是一種串聯型晶體振蕩器的原理電路，圖2?23（b）為其交流等效電路。該電路與電容三端式振蕩器電路十分相似，所不同的只是反饋信號不是直接接到晶體管的輸入端，而是經過石英晶體接到振蕩管的發射極，從而實現正反饋。當石英晶體工作在串聯諧振頻率時，石英晶體呈現極低的阻抗，可以近似地認為短路，則在這個頻率上，該電路與三端式振蕩器沒有什么區別。基于這種原理，可以調諧振蕩回路，使振蕩頻率正好等于晶體的諧振頻率，這時，正反饋最強，正好滿足起振條件。對于其他頻率，石英諧振器不可能發生串聯諧振，它在反饋支路中呈現一個較大的電阻，使振蕩電路不能滿足起振條件，故不能振蕩。下一頁返回上一頁2.4石英晶體振蕩器可見串聯石英晶體振蕩器的振蕩頻率及頻率穩定度都是由石英諧振器的串聯振蕩頻率決定的，而不是由振蕩回路決定的。總之，由振蕩回路元件決定的固有頻率必須與石英諧振器的串聯諧振頻率相一致。由于串聯晶體振蕩器的振蕩頻率等于晶體串聯諧振頻率，因此它不需要外加負載電容CL，通常這種晶體標明其負載電容為無窮大。在實際應用中，若fs有小的誤差，則可以通過回路的電容來進行微調。返回上一頁2.5振蕩器頻率穩定度振蕩器除了它的輸出信號要滿足一定的頻率和幅度外，還必須保證輸出信號頻率和幅度的穩定。頻率穩定度和幅度穩定度是振蕩器的兩個重要的性能指標，而頻率穩定度尤為重要。因為通信設備、無線電測量儀器等各種電子設備的頻率是否穩定，都取決于這些設備中的主振器的頻率是否穩定。如果通信系統的頻率不穩，就會漏失信號而聯絡不上，不僅如此，頻率發生變化還有可能干擾原來正常工作的相鄰頻道的信號。空間技術的發展，對振蕩器頻率穩定度提出了更高的要求。例如，要實現與火星通信，頻率的相對誤差就不能大于10～11數量級。倘若給距離地球5.6×107km的金星定位，則要求無線電波頻率的相對誤差不能大于10～12數量級。由此可見，頻率穩定度對于振蕩器是至關重要的性能指標。下一頁返回2.5振蕩器頻率穩定度2.5.1振蕩器的頻率穩定度所謂頻率穩定度，就是指在各種外界條件發生變化的情況下，振蕩器的實際工作頻率與標稱頻率的偏差，在數值上用實際頻率與標稱頻率的差值來表示。它可分為絕對偏差和相對偏差，分別稱為絕對頻率穩定度和相對頻率穩定度。一般常用的是相對頻率穩定度，簡稱頻率穩定度，用δ表示。如振蕩器的實際頻率為f，f0為標稱頻率，則絕對頻率穩定度為（2?41）相對頻率穩定度為（2?42）下一頁返回上一頁2.5振蕩器頻率穩定度頻率穩定度通常要指明時間間隔，按時間間隔的長短，通常可分為下面3種頻率穩定度。（1）長期穩定度：一般指一天以上以至幾個月的時間間隔內的頻率相對變化。這種變化通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。（2）短期穩定度：一般指一天以內的頻率相對變化。這種變化通常由溫度、電壓等的變化而引起的。（3）瞬時穩定度：一般指秒或毫秒時間間隔內的頻率相對變化。這種變化一般具有隨機性并伴有相位的隨機變化，也稱為振蕩器的相位抖動或相位噪聲。它主要是由于頻率源的內部噪聲引起的，與外界條件無關。下一頁返回上一頁2.5振蕩器頻率穩定度通常所講的頻率穩定度一般指短期頻率穩定度。對振蕩器頻率穩定度的要求視振蕩器的用途不同而不同。例如，用于中波廣播電臺發射機要求頻率穩定度不低于2×10?5，電視發射機要求頻率穩定度不低于5×10?7，普通信號發生器要求頻率穩定度為10?3～10?4，精密信號發生器則要求頻率穩定度為10?7～10?9。2.5.2造成頻率不穩定的原因通過前面的分析，知道LC振蕩器的振蕩頻率主要取決于諧振回路的參數，也與其他電路元件參數相關。由于振蕩器使用中，不可避免地會受到各種外界因素的影響，使得這些參數發生變化，造成振蕩頻率不穩定。這些外界因素主要有溫度、電源電壓以及負載等。下一頁返回上一頁2.5振蕩器頻率穩定度溫度變化會改變諧振回路的電感線圈的電感量和電容器的電容量，也會直接改變晶體管結電容、結電阻等參數。同時，溫度和電源電壓的變化會影響晶體管的工作點和工作狀態，也會影響晶體管的等效參數，使諧振回路諧振頻率、品質因數發生變化。振蕩器產生的信號通常要供給后級進行放大，后級對振蕩器的作用就是一個負載。如果把負載阻抗折算到諧振回路中，成為諧振回路參數的一部分，它們除了降低諧振回路的品質因數外，還會直接影響回路的諧振頻率，所以當負載變化時，振蕩頻率必然也將隨之變化。下一頁返回上一頁2.5振蕩器頻率穩定度2.5.3振蕩器的穩頻措施引起振蕩頻率變化的因素，既有外因（即溫度、電源電壓負載及機械振動等變化造成頻率不穩），也有內因（即諧振回路元件參數變化造成頻率變化）。針對這些因素，可以采取以下措施提高振蕩器頻率穩定度。1）提高諧振回路元件的標準性所謂振蕩器回路的標準性，是指其諧振頻率在外界因素變化時保持穩定的能力。提高諧振回路的標準性，也就是提高回路元件L、C的標準性。通常采用的方法是盡可能選擇參數穩定的回路元件。這就要求在制造回路元件時選用優質材料，采用合理的結構和先進的工藝。如溫度是引起L、C變化的主要因素，為了穩頻，振蕩回路應采用溫度系數小的元件。提高振蕩回路頻率溫度穩定性的另一個有效的方法是采用溫度補償。下一頁返回上一頁2.5振蕩器頻率穩定度2）減小晶體管對振蕩頻率的影響在討論三端式振蕩器時曾經提到，晶體管輸出端和輸入端存在不穩定的電容Co和Ci。它們并聯在振蕩回路中，由于Co和Ci極易受到電源電壓等因素變化的影響，故而成為影響頻率穩定度的主要因素之一。為了減小Co和Ci的影響，盡可能選擇質量好的晶體管，使振蕩頻率盡可能接近回路的諧振頻率，從而使振蕩頻率受Co和Ci的影響減小。另外，還可以讓晶體管與振蕩回路間采用部分接入方式，適當減小接入系數，以減小晶體管參數變化對振蕩回路的影響?？死ㄕ袷幤骱臀骼照袷幤骶褪遣捎眠@種方法來提高頻率穩定度的。此外，還可以適當提高諧振回路的品質因數，以提高回路本身的穩頻能力。LC振蕩器中的穩頻性能主要是利用LC諧振回路的相頻特性來實現的。根據分析，在振蕩頻率上，回路相頻特性的變化率（即斜率）越大，其穩頻效果就越好。LC并聯諧振回路的相頻特性如圖2?24所示，可見根據LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相頻特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越穩定。從相位與頻率的關系可得，此時的頻率也越穩定。下一頁返回上一頁2.5振蕩器頻率穩定度3）減小負載對振蕩回路的影響為了減小負載對振蕩回路的影響，可在振蕩器和回路之間加入緩沖級，如加射極輸出器，這在發射機中被廣泛采用。還可以使負載與回路之間采用部分接入的方式，以減小接入系數，這也可以減小負載對振蕩回路的影響。4）盡量減小各種外界因素對振蕩回路的影響為了減小各種外界因素對振蕩回路的影響，可對振蕩回路有選擇地采用下列措施。（1）加恒溫槽以減小溫度變化的影響。（2）加減振器以減小機械振動的影響。（3）加磁場屏蔽或電場屏蔽以減小電磁場的干擾。（4）采用獨立的高穩壓電源或直流電源加去耦濾波電路，以減小直流電壓波動對振蕩頻率的影響。返回上一頁2.6正弦波振蕩器的選用前面已介紹多種正弦波振蕩器，各種正弦波振蕩器有不同的特性和使用范圍。在電子、通信設備中如何選用正弦波振蕩器，是必須要考慮的問題。2.6.1正弦波振蕩器類型的選擇選擇正弦波振蕩的類型，首先要考慮的是正弦波振蕩器的工作頻率范圍和頻率穩定度，其次要考慮電路結構和使用的方便性。一般可參照表2?1所示常用正弦波振蕩器的主要特性來選用。下一頁返回上一頁2.6正弦波振蕩器的選用2.6.2振蕩管與振蕩參數的選擇確定正弦波振蕩器的類型后，就要考慮振蕩管的選擇、偏置電路的確定、振蕩回路的參數和電壓反饋系數Fv的選取。1.振蕩管的選擇對于小功率正弦波振蕩器，主要考慮的是在滿足振蕩條件的前提下，振蕩器要容易起振，并且頻率穩定度要高，所以振蕩管的選擇要注意以下兩點。（1）振蕩管的共射短路電流放大系數值要足夠大，以滿足振幅起振條件。（2）振蕩管的特征頻率Tf要足夠高，使頻率穩定度高。這是因為特征頻率高的管子，在較低頻率工作時，頻率穩定性好。一般可按下式選擇。下一頁返回上一頁2.6正弦波振蕩器的選用（2?43）如果要求振蕩器輸出一定的功率，那么對振蕩管的功率大小也是有要求的。2.偏置電路的確定偏置電路的確定就是要確定靜態工作點。按照自給偏置的要求，正弦波振蕩器的靜態工作點應處于放大區內。起振時，振蕩管處于甲類工作狀態，以滿足振幅起振條件。振蕩器平衡穩定后要進入非線性區，工作在丙類工作狀態。3.振蕩回路參數的選取對LC元件的選取，振蕩電容C應選得大一點，有利于減少振蕩管極間電容和分布電容對回路的影響，有利于提高頻率穩定度。但電容C大，電感L就要小，回路Q值就不會高，振蕩幅度也會較小，所以要綜合考慮來選擇L和C的大小。一般可根據以下關系式來選取。下一頁返回上一頁2.6正弦波振蕩器的選用振蕩頻率（2?44）感容比為

（2?45）下一頁返回上一頁2.6正弦波振蕩器的選用4.電壓反饋系數Fv的選取電壓反饋系數Fv大時，振蕩幅度大，但振蕩管的輸入阻抗對選頻回路的影響也大，會使振蕩波形變差，振蕩頻率不穩；Fv小時，振蕩幅度小，不利于起振。對于三端式振蕩器，通常取